Foxc2對骨和脂肪組織的調(diào)節(jié)作用研究進(jìn)展

潘虹旭

上海市嘉定區(qū)中心醫(yī)院 口腔科，上海 201800

Foxc2 (forkhead box C2, Foxc2) / Mfh1是Forkhead轉(zhuǎn)錄因子家族中的一員，定位于人類染色體16q24.1區(qū)域。編碼Foxc2的基因僅包含一個外顯子，無內(nèi)含子，在人和小鼠間高度保守。Foxc2蛋白在發(fā)育中的鰓弓，鼻突，心臟等部位中均有表達(dá)， Foxc2基因敲除小鼠多在胚胎時期死亡，少量出生的小鼠常伴有腭裂，顱頜面骨骼及椎骨異常等畸形[1, 2]。顱頜面骨組織的發(fā)育涉及到顱神經(jīng)嵴細(xì)胞的遷移、定位、增殖、定向分化等一系列過程，其中還有BMP、TGF、Wnt等多個信號通路的參與，構(gòu)成了復(fù)雜的生物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵基因表達(dá)異常、轉(zhuǎn)錄因子活性改變、信號通路異常激活等因素均可影響顱頜面骨組織形成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致表型各異的顱頜面畸形。除了調(diào)節(jié)骨組織形成，F(xiàn)oxc2在脂肪細(xì)胞內(nèi)亦有表達(dá)，脂肪組織通過調(diào)控Foxc2的表達(dá)控制白色和棕色脂肪組織間的相互轉(zhuǎn)化，影響機(jī)體能量代謝[3]。

1 Foxc2的誘導(dǎo)骨形成作用

骨形成是一個由多基因調(diào)控，受多因素影響的復(fù)雜過程，小鼠的膜內(nèi)成骨及軟骨內(nèi)成骨過程最早始于13.5天的胚胎，成骨區(qū)域細(xì)胞內(nèi)有成骨分化基因Runx2和OSX的表達(dá)[4-6]。骨形成涉及到BMP-smad，Wnt-β/catenin，Ihh等多個通路的參與，F(xiàn)oxc2蛋白在不同調(diào)節(jié)通路中發(fā)揮著不同程度的作用。以往研究證實(shí)，F(xiàn)oxc2突變小鼠可產(chǎn)生顱頜面及中軸骨異常，付使用原位雜交技術(shù)檢測小鼠胚胎發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxc2在鼠胚胎頭區(qū)的間充質(zhì)細(xì)胞中廣泛表達(dá)，并且表達(dá)具有一定的時間特異性和組織特異性。Foxc2突變小鼠主要表現(xiàn)為衍生于第一鰓弓骨組織的骨化中心缺乏，軟骨機(jī)能不全，脊柱發(fā)育不良。付認(rèn)為Foxc2可能是受SHH信號通路調(diào)控的下游蛋白，F(xiàn)oxc2蛋白表達(dá)異常導(dǎo)致間充質(zhì)細(xì)胞的骨向分化受阻，顱頜面及中軸骨發(fā)育障礙[2,7]。Yang使用BMP-2刺激C2C12細(xì)胞發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)Foxc2 mRNA含量及蛋白表達(dá)升高，抑制Foxc2表達(dá)后BMP-2的誘導(dǎo)細(xì)胞骨向分化能力明顯下降[8]。Foxc2在小鼠肌衛(wèi)星細(xì)胞分化早期表達(dá)，隨著細(xì)胞成肌向分化后表達(dá)量逐漸下降，下調(diào)未分化的C2C12細(xì)胞內(nèi)Foxc2表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞增殖能力減弱，誘導(dǎo)細(xì)胞持續(xù)性表達(dá)Foxc2則導(dǎo)致C2C12細(xì)胞向成骨方向轉(zhuǎn)化[9]。PTH和BMP-2均可誘導(dǎo)Foxc2的表達(dá)并且呈劑量依賴關(guān)系，通過siRNA抑制Foxc2表達(dá)后，小鼠顱骨細(xì)胞及MC3T3-E1細(xì)胞增殖及分化能力減弱，死亡細(xì)胞數(shù)量增多；而當(dāng)在細(xì)胞內(nèi)過表達(dá)Foxc2后，細(xì)胞內(nèi)整合素-β1表達(dá)上調(diào)，細(xì)胞成骨分化增強(qiáng)[10]。除了參與BMP通路，F(xiàn)oxc2還可通過Wnt-β/catenin通路調(diào)節(jié)骨形成。Foxc2質(zhì)粒轉(zhuǎn)染細(xì)胞并過表達(dá)后，間充質(zhì)細(xì)胞及前成骨細(xì)胞不僅成骨分化標(biāo)志物表達(dá)上調(diào)，細(xì)胞內(nèi)β-catenin含量亦增加，T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子(T Cell Factor/LymphoId Enhancer Factor, TCF/LEF)轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)。值得指出的是，該實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性阻斷Foxc2誘導(dǎo)激活的Wnt-β/catenin通路時使用的是蛋白激酶A(Protein Kinase A, PKA)抑制劑H-89，對此Kim的解釋是cAMP/PKA通路和Wnt-β/catenin通路存在相互激活作用[11]。對此筆者認(rèn)為，盡管已有相關(guān)文獻(xiàn)支持cAMP/PKA通路和Wnt-β/catenin通路的相互作用，但Foxc2在這兩條通路中究竟扮演著怎樣的角色值得進(jìn)一步的研究。過表達(dá)Foxc2促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, BMSCs)表達(dá)Col I，OCN，OPN，而使用Wnt-β/catenin通路抑制劑XAV939將該效應(yīng)阻斷，這一證據(jù)直接證明了Foxc2可激活Wnt-β/catenin通路[12]。有意思的是，F(xiàn)oxc2并不直接刺激β/catenin的表達(dá)，而是通過增強(qiáng)β/catenin的穩(wěn)定性，抑制其降解并在細(xì)胞內(nèi)富集進(jìn)而激活Wnt-β/catenin通路[11, 12]。近來有報道柚皮苷的誘導(dǎo)成骨作用，柚皮苷通過激活I(lǐng)HH信號通路上調(diào)Foxc2表達(dá)從而促進(jìn)BMSC成骨分化，鑒于柚皮苷來源廣泛，可直接從植物骨碎補(bǔ)中提取這一優(yōu)勢，該化合物在后續(xù)研究中可能具有比較重要的臨床價值[13]。

2 Foxc2對脂肪組織的調(diào)節(jié)

骨髓是位于長骨髓腔及松質(zhì)骨內(nèi)的一種海綿狀組織，根據(jù)其有無造血能力分為紅骨髓和黃骨髓，黃骨髓內(nèi)含有較多的脂肪細(xì)胞，無造血能力。隨著年齡的增長，人體代謝水平發(fā)生改變，脂肪細(xì)胞增多，黃骨髓含量升高。以往研究表明，F(xiàn)oxc2在誘導(dǎo)間充質(zhì)組織成骨分化的同時，對脂肪組織的生成同樣具有一定的調(diào)節(jié)作用， Foxc2可下調(diào)PPARγ，C/EBPα，F(xiàn)ABP4/aP2，脂連素等成脂相關(guān)蛋白的表達(dá)，抑制間充質(zhì)組織成脂分化[12-14]。高熱量飲食和胰島素分泌可促進(jìn)脂肪細(xì)胞表達(dá)Foxc2，上調(diào)的Foxc2具有拮抗肥胖癥，高血脂及胰島素抵抗的能力，這一作用在Foxc2過表達(dá)小鼠模型中得到驗(yàn)證[15]。Gan證實(shí)高脂誘導(dǎo)Foxc2表達(dá)后脂肪前體細(xì)胞內(nèi)Akt/mTORC1和ERK/mTORC1信號通路激活，細(xì)胞凋亡受抑制，細(xì)胞周期蛋白E表達(dá)增加，細(xì)胞增殖水平升高，但是細(xì)胞的分化同樣被抑制，脂肪前體細(xì)胞無法進(jìn)一步分化為成熟的脂肪細(xì)胞[16]。然而當(dāng)延長高脂飲食時間后，F(xiàn)oxc2的表達(dá)水平則呈現(xiàn)相反的變化:長期高血脂可導(dǎo)致白色脂肪組織(White Adipose Tissue，WAT)內(nèi)FABP4/aP2，DIO2，F(xiàn)oxc2等一系列與機(jī)體能量代謝和骨形成相關(guān)基因的表達(dá)水平下調(diào)，成骨及破骨細(xì)胞活性減弱，骨代謝水平降低，小鼠表現(xiàn)為肥胖，葡萄糖耐受不良，骨質(zhì)下降，能量代謝紊亂等異常改變[17, 18]。WAT內(nèi)表達(dá)的早期生長反應(yīng)因子1(Early Growth Response-1, Egr-1)可能與高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖癥及胰島素抵抗密切相關(guān)：高脂飲食飼養(yǎng)12周后小鼠WAT內(nèi)Egr-1 mRNA即出現(xiàn)升高，而在Egr-1敲除小鼠WAT內(nèi)Foxc2表達(dá)水平較對照組明顯上調(diào)，F(xiàn)oxc2下游基因表達(dá)亦相應(yīng)增強(qiáng)，WAT呈現(xiàn)以能量消耗為主的狀態(tài)[19]。UCP1是棕色脂肪組織(Brown Adipose Tissue, BAT)的特異性標(biāo)志物，實(shí)驗(yàn)中高脂飲食誘導(dǎo)的Egr-1敲除小鼠WAT內(nèi)UCP1表達(dá)水平較正常組高，研究表明Foxc2過表達(dá)可促進(jìn)脂肪細(xì)胞表達(dá)UCP1，因此缺乏Egr-1的WAT可能通過上調(diào)Foxc2表達(dá)獲得了BAT的部分表型特征[15, 19]。隨著WAT不斷向BAT轉(zhuǎn)化，F(xiàn)oxc2激活脂肪組織分解，機(jī)體能量代謝水平發(fā)生相應(yīng)改變。

3 小結(jié)

Foxc2具有誘導(dǎo)間充質(zhì)組織成骨分化的能力并在顱頜面骨及中軸骨的發(fā)育中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。隨著研究的不斷深入，F(xiàn)oxc2調(diào)控骨形成過程的機(jī)制正在逐漸揭開，后續(xù)系統(tǒng)性的研究將給顱頜面骨組織發(fā)育異常的病因探索提供參考，同時相關(guān)促成骨機(jī)制研究也將為顱頜面骨缺損的臨床治療提供指導(dǎo)。另外，F(xiàn)oxc2蛋白具有調(diào)控脂肪組織轉(zhuǎn)化的能力，通過上調(diào)BAT相關(guān)表型促進(jìn)WAT的轉(zhuǎn)化，提高機(jī)體能量消耗，有效減少機(jī)體脂肪。Foxc2的這一特點(diǎn)將為肥胖癥，高脂血癥，2型糖尿病等疾病的治療提供新的思路[20]。